Новый квантовый лазер превращает энергетические потери в полезную работу - «Наука и технологии»

Группа ученых из корейского Института науки и передовых технологий (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST) создала новую лазерную систему, вырабатывающую поток активных квантовых частиц при комнатной температуре. Но самым интересным во всем этом является то, что с увеличением энергетических потерь у нового лазера уменьшается значение пороговой энергии, другими словами, он начинает потреблять меньшее количество энергии.

Основой нового лазера является оптическая микрополость шестиугольной формы, созданная в основании из нитрида кремния, которое также выступает в роли модулятора излучения. В результате получается новый вид поляритонного лазера, способного работать при комнатной температуре, в то время как все его ближайшие аналоги способны работать только при криогенных температурах.

Начав испытания нового лазера, исследователи KAIST обнаружили у него уникальную и парадоксальную особенность. Обычно во время работы традиционных лазеров любых типов часть энергии теряется, превращаясь в тепло в большинстве случаев. И в новой системе увеличение энергетических потерь должно было привести к снижению мощности излучаемого когерентного света. Но на практике ученые увидели обратную ситуацию - при увеличении потерь количество потребляемой энергии снижалось, а мощность излучаемого света оставалась на одном уровне.

Ключевыми моментами в данном случае является конструкция лазера и используемые материалы. Свет, попадающий в шестиугольную микрополость, делится на две части (моды), одна часть проходит через один условный треугольник, вписанный в шестиугольник, а вторая - через второй вписанный треугольник. Оба потока световых частиц имеют одинаковую энергию и проходят одинаковое расстояние, не взаимодействуя друг с другом при этом.

Однако, частицы света взаимодействуют с другими частицами, точнее квазичастицами, называемыми экситонами, которые возникают на стенках микрополости, созданной в полупроводниковом материале. Взаимодействие света и экситонов порождает новые квазичастицы, известные как поляритоны, которые взаимодействуют друг с другом и являются основой работы поляритонного лазера. И в результате этого получается парадоксальная ситуация - при увеличении энергетических потерь возрастает количество образующихся поляритонов, что приводит к снижению количества потребляемой лазером энергии.

"Явление, которое несет ответственность за такое парадоксальное поведение лазера, имеет отношение к квантовой физике и носит название обратная симметрия четности-времени (parity-time reversal symmetry)" - пишут исследователи, - "Это явление в данном случае позволяет преобразовать в полезное действие энергетические потери. И, используя эту особенность, в будущем можно будет создать новые высокоэффективные лазеры для традиционных оптических устройств и квантовых систем".